半導體異質(zhì)結

1、化合物半導體高速集成電路第四章 半導體異質(zhì)結第4章半導體異質(zhì)結4.1半導體異質(zhì)結界面4.2半導體異質(zhì)結的能帶突變4.3半導體異質(zhì)結的能帶圖 4.1半導體異質(zhì)結界面半導體異質(zhì)結概念同質(zhì)結(p-n結)：在同一塊單晶材料上，由于摻雜的不同形成的兩種導電類型不同的 區(qū)域，區(qū)域的交接面就構成了同質(zhì)結。若形成異質(zhì)結的兩種材料都是半導體，則為半導體異質(zhì)結。若一方為半導體一方為金屬，則為金屬半導體接觸，這包括Schottky結和歐姆接觸。1957年，德國物理學家赫伯特克羅默指出有導電類型相反的兩種半導體材料制成異質(zhì) 結，比同質(zhì)結具有更高的注入效率。1960年，Anderson制造了世界上第一個 Ge GaAs

2、異質(zhì)結。1962年，Anderson提出了異質(zhì)結的理論模型，他理想的假定兩種半導體材料具有相 同的晶體結構，晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)，基本說明了電流輸運過程。1968年美國的貝爾實驗室和蘇聯(lián)的約飛研究所都宣布做成了GaAs-AlxGa1-xAs雙異質(zhì)結激光器。在 70年代里，金屬有機物化學氣相沉積( MOCVD )和分子束外延(MBE)等先 進的材料成長方法相繼出現(xiàn)，使異質(zhì)結的生長日趨完善。半導體異質(zhì)結分類1. 根據(jù)半導體異質(zhì)結的界面情況，可分為三種：(1) 晶格匹配的異質(zhì)結。300K時，如：Ge/GaAs(0.5658nm/0.5654nm)GaAs/AlGaAs (0.5654nm/0.565

3、7nm )、InAs/GaSb (0.6058nm/0.6095nm )(2) 晶格不匹配的異質(zhì)結(3) 合金界面異質(zhì)結2. 根據(jù)過渡空間電荷分布情況及過渡區(qū)寬度的不同：(1) 突變異質(zhì)結：在不考慮界面態(tài)的情況下，從一種半導體材料向另一種半導體材料的過渡只發(fā)生于幾個原子距離(w1卩m)范圍內(nèi)。(2) 緩變異質(zhì)結：在不考慮界面態(tài)的情況下，從一種半導體材料向另一種半導體材料 的過渡發(fā)生于幾個擴散長度范圍內(nèi)。3. 根據(jù)構成異質(zhì)結的兩種半導體單晶材料的導電類型：(1) 反型異質(zhì)結：由導電類型相反的兩種半導體單晶材料所形成的異質(zhì)結。如( p) GaAs( n) AlGaAs(2) 同型異質(zhì)結：由導電類型

4、相同的兩種半導體單晶材料所形成的異質(zhì)結。如( n) GaAs( n) AlGaAs為了方便討論兩種不同帶隙的半導體相接觸所形成的異質(zhì)結在使用符號上作了一些規(guī) 定，用小寫字母n和p表示窄禁帶半導體的導電類型，用大寫字母P和N表示寬帶隙半導體導電類型。例如：p型窄帶隙半導體 GaAs和n型寬帶隙半導體 AlGaAs構成的異質(zhì)結，p N GaAs AlGaAs , p型窄帶隙半導體 Ge和p型窄帶隙半導體 GaAs, p p Ge GaAs。 另外，n P GaAs GaP, n N Si GaP異質(zhì)結界面態(tài) 異質(zhì)結是由兩種不同的半導體單晶材料相接觸形成的結，這兩種材料的晶格常數(shù)是不同的，因此會產(chǎn)生

5、晶格失配，在兩種半導體材料的交界面處產(chǎn)生了懸掛鍵。設兩種材料的晶格常數(shù)分別為al、a2，且a1 W fit!為進一步降低界面態(tài)密度， 有必要使其晶格匹配的更好， 這可通過人為控制晶格常數(shù)來實現(xiàn)。 對川-V族化合物半導體來說，其晶格常數(shù)一般地近似認為隨組分做線性變化，因此可用三元或四元化合物半導體制作出晶格匹配非常完美的異質(zhì)結。另外，除了晶格失配產(chǎn)生界面態(tài)以外，由于兩種材料的熱膨脹情況不匹配，以致引起界面畸變，也可產(chǎn)生界面態(tài)。4.2半導體異質(zhì)結的能帶突變則禁帶寬度不同，從而在異質(zhì)結處就存在有導帶的異質(zhì)結的兩邊是不同的半導體材料, 突變量 Ec和價帶的突變量厶Ev。 典型的異質(zhì)結能帶突變形式 EC

6、=EC1 EC20 EV=EV2 EV10 Eg=Eg1 Eg2 = EC+ EV EC=E ci Ec20 Eg= | Ec+ Ev| EC=E ci Ec20 Eg= | Ec+ Ev|圖4-2典型異質(zhì)結能帶突變能帶突變應用:圖4-3能帶突變應用圖4-3（ a）能帶突變可以產(chǎn)生若熱電子。在許多共振隧穿結構中電子以比集電區(qū)費米能級高出幾個kT的能量注入集電區(qū)，與晶格相比電子是熱”的。是彈道熱電子晶體管 （HET）和共振熱電子晶體管（RHET ）的工作基礎。圖4-3 （b）能帶突變是能使電子發(fā)生反射的勢 壘。阻擋電子，形成電子的積累層。圖4-3（c）能帶突變提供一定厚度和高度的勢壘，當勢壘很薄

7、時，電子可以隧道穿透它，當勢壘較厚時，只有那些能量比勢壘高度要大的電子才能 越過它。圖4-3（ d）能帶突變是造成一定深度和寬度的勢阱，束縛電子，但勢阱寬度小于 電子德布洛意波長時，阱中的電子將處于一系列的量子化能級上。能帶突變量的實驗測定Ec2Ecl圖4-4量子阱能級（1）光學法（光譜法）通過測量電子在勢阱中各分離能級間躍遷而產(chǎn) 生的光吸收譜和發(fā)射光譜，求出分離能級間的能量， 然后計算出能帶突變量。1974年，丁格爾（R.Dingle ） 采用GaAs/Al o.2Gao.8As異質(zhì)結，通過測紅外吸收譜給 出： Ec = 0.85 Eg。1984 年，Miller 采用 GaAs/Al 0.

8、3Ga0.7As異質(zhì)結，通過同樣方法給出： Ec =0.57 Eg。(2) 電學方法使用電學方法測量帶階時，由于同型異質(zhì)結和反型異質(zhì)結的能帶分布不同，因此具有不同的計算方法。根據(jù)異質(zhì)結的能帶圖可以推導出導帶帶階和異質(zhì)結勢壘高度qVD、費米能級與兩種材料臨近的導帶底或價帶頂?shù)牟頢 1和3 2的關系公式：反型異質(zhì)結： Ec = qVD Eg1 + 3 2+ 3 1同型異質(zhì)結： Ec = qVD + 3 2 3 1構成異質(zhì)結的兩種材料及摻雜濃度確定，根據(jù)半導體物理的知識可求出導帶帶階。(3) 光電發(fā)射譜法AEv F11L:aeb在GaAs襯底上生長幾納米 AlAs ,使用X光照 射異質(zhì)結，通過測量其

9、發(fā)射譜可得到 GaAs價帶頂能 級Ec1與EGa3d的差E1,及E2和厶EB，因而價帶 帶階為：E1+ Eb E2 = Ev圖4-5 GaAs/AIA異質(zhì)結能級4.3半導體異質(zhì)結能帶圖不管什么類型的異質(zhì)結，在研究異質(zhì)結特性的時候，異質(zhì)結的能帶圖都起著非常重要的 作用，它是分析很多物理現(xiàn)象的基礎。所謂能帶圖就是異質(zhì)結界面兩側的導帶最低值和價帶最高極值的能量隨坐標的變化。在 不考慮兩種半導體交界面處界面態(tài)的情況下，任何異質(zhì)結的能帶圖都取決于形成異質(zhì)結的兩種半導體的電子親和能 X,禁帶寬度Eg,以及功函數(shù)。反型異質(zhì)結先以p-N GaAs AIGaAs異質(zhì)結為例介紹一下異質(zhì)結的能帶圖。先看一下兩種材料

10、形成 異質(zhì)結之前的能帶圖。圖 4-6 p-N GaAs、AlGaAs 能帶異質(zhì)結能帶圖中各個量代表的物理意義:EO:真空能級。表示電子跑出半導體進入真空中所必須具有的最低能量，對所有材料都 第7頁共11頁化合物半導體高速集成電路第四章 半導體異質(zhì)結是相同的。X:電子親和勢。是一個電子從導帶底移動到真空能級所需的能量，由材料的性質(zhì)決定，和其他外界因素無關。0：功函數(shù)。表示將一個電子從費米能級Ef處轉(zhuǎn)移到真空能級所需的能量。費米能級的高度與半導體所摻雜質(zhì)的類型和濃度有關。Eg1、Eg2分別表示兩種半導體材料的禁帶寬度；S 1為費米能級Efi和價帶頂Ev1的能量差，S 2為費米能級EF2與導帶底Ec

11、2的能量差。由圖可知：兩種半導體導帶底的階躍 EC = X 1 -X 2,即相應親和勢之差價帶頂?shù)碾A躍 EV = Eg2- Eg1A EC=Eg2 Eg1 X 1+ X 2 EC、 EV由材料性質(zhì)決定，與外界因素無關。當兩塊不同的半導體緊密接觸而形成異質(zhì)結時，為使體系達到平衡，必將發(fā)生電子的轉(zhuǎn)移，直至體系中各處的費米能級完全一致為止。與同質(zhì)p-n結的情況一樣，電子的轉(zhuǎn)移會導致界面附近能帶發(fā)生彎曲。先考慮理想異質(zhì)結的情況，即忽略界面態(tài)的影響。 認為形成異質(zhì)結的兩種材料都為理想材料，作如下假設：(1)兩種材料從界面倒其內(nèi)部保持自己的特性(2 )只有在界面處材料才發(fā)生突變(3 )忽略界面的電偶夾層等

12、在零偏壓下，接觸界面上的費米能級要相等，發(fā)生載流子擴散運動， 界面附近留下一個空間電荷區(qū)(耗盡區(qū)或者勢壘區(qū))。在熱平衡下，即載流子的擴散運動和漂移運動達到平衡 時，產(chǎn)生了一個內(nèi)建電場，電勢差滿足：qVD=EF2-EF1；P型空間電荷區(qū)中的擴散電位為： qNA2 ；1 ；0其中Na為p型區(qū)摻雜濃度，xp為p型空間電荷區(qū)寬度, 1、 0分別為相對介電常數(shù)和真空介電常數(shù)。N型空間電荷區(qū)中的擴散電位為:V2嚴x22 -2 0圖4-8不同摻雜濃度p-N異質(zhì)結能帶結構示意圖第11頁共11頁 2、 0分別為相對介電常數(shù)其中Nd為N型區(qū)摻雜濃度，xn為N型空間電荷區(qū)寬度, 和真空介電常數(shù)。整個半導體滿足電中性

13、條件，勢壘區(qū)內(nèi)正負電荷總量相等，即:qNAXp 二qNDXn= NaXp 二 NDXnV2 Z Nd xn i 禺 Na= =| =V1N A Ixp 丿 2 Nd2 W2N D1NaVd熱平衡下異質(zhì)結的空間電荷區(qū)電容可給出為：圖4-7可反映出異質(zhì)結能帶兩個特點：(1 )能帶發(fā)生了彎曲N型區(qū)在導帶底和價帶頂?shù)膹澢繛閝VD2，且導帶底在界面處形成尖峰P型區(qū)在導帶底和價帶頂?shù)膹澢繛閝VDi，且價帶頂在界面處形成凹口(2 )能帶在交界面處不連續(xù)，有一個突變導帶斷續(xù) EC = X 1- X 2價帶斷續(xù) Ev = Eg2 Eg1 - EC = Eg2- Egl - X 1+ X 2勢壘尖峰的位置處于

14、勢壘上的什么部位將由兩邊材料的相對摻雜濃度來決定.有可能出現(xiàn)如下圖所示的幾種情況:化合物半導體高速集成電路第四章 半導體異質(zhì)結圖4-8 (a)當寬帶摻雜比窄帶少得多時，勢壘主要落在寬帶區(qū)；圖4-8 ( b) p-N兩邊摻雜差不多時，勢壘尖峰在平衡時并不露出p區(qū)的導帶底。圖4-8 (c)所示，窄帶摻雜比寬帶少得多時勢壘主要降在窄帶區(qū)，尖峰靠近勢壘的根部。圖4-8(d)所示，如果寬帶隙材料為p型摻雜，窄帶隙材料n型摻雜，勢壘的尖峰將出現(xiàn)在價帶上， Ev將對空穴起限制作用。反型異質(zhì)結的能帶圖遠不止上述幾種?？赡芘龅絏1和X2,1和$ 2的各種組合的情況不下十余種。圖 4-9列舉了四種常見的能帶排列。

15、Jti11#. 曲Jti +E*i jri+riSi/t圖4-11典型同型異質(zhì)結能帶圖異質(zhì)結界面態(tài)異質(zhì)結界面的晶格失配或其它缺陷將產(chǎn)生界面能級界面能級一般可分為兩種類型：一種是類施主能級，電離后帶正電；一種是類受主能級，電離后帶負電。無論界面能級是類施主或是類受主型的都不影響異質(zhì)結能帶圖的基本形狀。界面能級對能帶圖的影響與界面態(tài)密度的大小和界面態(tài)能級的性質(zhì)有關。可分為兩種情況討論(1)界面態(tài)密度較小時圖4-12界面態(tài)密度較小的異質(zhì)結能帶圖(2)界面態(tài)密度很大時能帶彎曲的方向要受界面電荷的影響。如果界面上存在著大量的類受主能級，因它們電離后帶負電荷，異質(zhì)結的能帶圖將如下圖：如果界面上存在著大量的

16、類受主能級,因它們電離后帶正電荷， 異質(zhì)結的能帶圖將如下圖:觸枷1淑也圖4-14界面存在大量正電荷異質(zhì)結能帶圖4.4半導體異質(zhì)結的伏安特性在p-n異質(zhì)結中既有電子勢壘， 也有電子勢阱，但勢壘高度和勢阱深度的大小不一樣時，異質(zhì)結的導電機理將有所不同，所以我們把這種異質(zhì)結區(qū)分為兩種情況：負反向勢壘和正反向勢壘。以p N型異質(zhì)結為例，如圖 4-15(a) 在交界面處禁帶寬度大的半導體的勢壘尖峰”低于異質(zhì)結勢壘區(qū)外的禁帶寬度小的半導體材料的導帶底，稱圖中的一qVB= qVDn qVD + Ec為負反向勢壘(b) 在交界面處禁帶寬度大的半導體的勢壘尖峰”高于異質(zhì)結勢壘區(qū)外的禁帶寬度小的半導體材料的導帶底

17、，稱圖中的qVB= qV Dn qVD + Ec為正反向勢壘圖4-15兩類半導體異質(zhì)結能帶圖不考慮界面態(tài)情況下：負反向勢壘p-N異質(zhì)結伏安特性：空穴運動時遇到較高勢壘 (為qVD+ Ev ),電子遇到勢壘高度較低 (為qVD EC ), 通過勢壘的電流主要是電子電流，空穴電流可以忽略。電流密度J與外加電壓V的關系為： qVD Ec qVJ =q門.0(中歸koT (ekoT -1)其中nn0為n型半導體多數(shù)載流子濃度，Dn和t n分別是電子的擴散系數(shù)和壽命正反向勢壘p-N異質(zhì)結伏安特性：三角形勢壘中存在大量的 2 DEG ,往右輸運遇到勢壘高度為qVB，需考慮其對電流的貢獻?？昭ㄟ\動時遇到較高

18、勢壘(為qVDp+qVDn EV ),電子遇到勢壘高度較低(為qVDn)。通過勢壘的電流主要是方向相反的兩個電子電流，電流密度J與外加電壓V關系為：化合物半導體高速集成電路第四章 半導體異質(zhì)結qVDnqVnqVPDnk0Tk0To_k0TJ 二 qnno】（）e （e -e ）綜上，總結正反向勢壘、負反向勢壘導電特性如圖4-16所示:圖4-16異質(zhì)結導電特性（實線為負反向勢壘，虛線為正反向勢壘）由圖可知，在不考慮界面態(tài)情況下，負反向勢壘p-N異質(zhì)結和p-n結類似，具有很好的整流特性（單向?qū)щ娦裕?；在正反向勢壘時幾乎不存在有整流特性，正向和反向電流隨外加 電壓按指數(shù)函數(shù)關系增大同型異質(zhì)結的伏安特性與反型異質(zhì)結類似，同型異質(zhì)結具有指數(shù)式的伏安特性。需注意以下幾點：（1） 通過異質(zhì)結的電流主要是多數(shù)載流子電流。對n-n結，對電流有貢獻的是右邊導帶